下一代可穿戴和可植入電子設備應該能夠貼合人體組織的柔軟和動態表面。目前最先進的柔性電子設備可以彎曲以層壓在三維表面上，但很難與經常發生大變形的表面保持緊密接觸。為了適應和變形，需要由生物相容性彈性導體組成的裝置。這些導體尤其應該是可拉伸的、透氣的和耐用的，同時保持穩定的導電性。
日本理化學研究所Takao Someya、Kenjiro Fukuda和南洋理工大學陳曉東等人報告了一種微米厚的超薄彈性導體，它具有強大的電氣和機械性能。通過控制在1.3 μm厚的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 基底上熱蒸發的金膜中微裂紋的形態來創建導體。由此產生的 PDMS-金導體可以在曲線動態表面上拉伸和變形，同時保持穩定的導電性。成果發表在Nature Electronics上。
圖|用于皮膚和植入式傳感器的微裂紋 PDMS——金彈性導體
在彈性導體的設計中探索了三種主要策略：
1）彈性體基板上金屬薄膜的結構工程；
2）本質上可拉伸的導體（例如液態金屬）的圖案化；
3）以及導電填料和可拉伸聚合物的復合共混。
其中，由于所得導體的高導電性，結合金屬膜的基于結構的方法很普遍。將金屬薄膜圖案化為蛇形和網狀結構很常見，但之前也已證明在 PDMS 上自主形成的金微裂紋結構可提供出色的導電性和循環應變耐久性。盡管這些微裂紋結構具有良好的導電性和應變彈性，但一個限制是它們的生長需要PDMS基板在真空沉積過程中發生熱膨脹。該研究的一項關鍵創新是引入了一個臨時的 100 μm 厚的 PDMS 基板，在金的熱蒸發過程中，1.3 μm厚的 PDMS 層位于該基板上。該技術導致金層中三支狀微裂紋的均勻生長。
圖|微裂紋形態形成的機制和機械/電氣表征
在設計用于皮膚和植入式傳感器應用的生物相容性彈性導體時，厚度是一個需要考慮的重要因素。
1）首先，更薄的彈性導體更透氣。具有低透氣性的皮膚可穿戴設備可以防止汗液和揮發性有機化合物從皮膚蒸發，從而可能引起刺激和不適。高度透氣的微裂紋導體的失水速度為 11.9 mg h–1 mm–2，高于人體皮膚典型的經表皮失水速度 (4–10 mg h–1 mm–2)。
2）接下來，更薄的彈性導體在變形過程中對人體組織施加的機械應力更小。如果拉伸的彈性導體對人體組織施加很大的張力，就會出現不適和并發癥。然而，超薄導體僅需要38.9 mN 的小力即可實現 100% 變形。
3）最后，超薄設備的硬度較低，可以更好地貼合曲面，從而改善傳感器接觸和性能。
雖然導體的厚度在決定生物相容性方面起著重要作用，但拉伸性和耐用性仍然是彈性導體的主要標準。高拉伸性對于與組織形成保形接觸并允許在動態表面上不受限制地運動至關重要。它還可以防止在處理過程中任何應變引起的損壞。盡管超薄，但由該研究團隊開發的導體可以拉伸高達 300% 并承受 20 克的重量，而不會失去其高導電性。它還可以在 100% 的拉伸應變下進行拉伸和釋放測試后保持其電阻，在 5,000 次循環后僅發生1.7% 的變化。
通過添加 22 nm厚的離子導電粘合劑聚合物層，導體可以與人的皮膚形成無縫接觸，并能夠承受劇烈的皮膚變形和強力水沖洗。經過 8 小時的長時間磨損（包括劇烈運動）后，電極仍然完好無損，可以傳輸高質量的心電圖信號。該導體還被設計成 3 μm厚的多層可穿戴傳感器，用于測量動脈脈搏波。
圖|基于超薄導體的皮膚傳感器
此外，該導體被用作神經調節和神經信號記錄的植入式神經電極，其超薄外形意味著它可以緊緊包裹在大鼠神經組織周圍，沒有任何氣隙。為了測試神經調節能力，使用電極通過刺激坐骨神經的不同分支選擇性激活肌肉組織。為了測試神經信號記錄能力，電極被用來記錄復合神經動作電位，以響應大鼠爪子的皮下電刺激。
圖|基于超薄導體的植入式神經接口
最終，彈性導體被組裝成可拉伸的電子設備。在該研究中，彈性導體被用于連接到外部測量電路的可拉伸生物傳感器，但彈性導體也被廣泛用作剛性電子元件之間的可拉伸互連，形成剛性島狀可拉伸電路。可伸縮天線和可伸縮半導體設備的開發也需要彈性導體，這最終可能會導致完全可伸縮的電子設備。不同的應用對彈性導體的要求不同。例如，皮膚上的傳感可能受益于更薄的彈性導體以改善接觸和舒適度，但如果用于可植入設備，更薄的導體可能容易退化。在設計彈性導體時有許多考慮因素，應繼續探索各種材料和結構以創建下一代設備。
參考文獻：
Jiang, Z., Chen, N., Yi, Z. et al. A 1.3-micrometre-thick elastic conductor for seamless on-skin and implantable sensors. Nat Electron 5, 784–793 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41928-022-00868-x
